DE4232957C2

DE4232957C2 - Photosonde zur Messung von Trübungen und hohen Feststoffkonzentrationen in Medien

Info

Publication number: DE4232957C2
Application number: DE4232957A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr Ing Mayer
Original assignee: Dr Staiger Mohilo and Co GmbH
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-10-02
Also published as: DE4232957A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Photosonde zur Messung von Trübungen und hohen Feststoffkonzentrationen in Medien.

Die gebräuchlichen Photosonden bewerten die Lichtabschwächung durch das in einem Spalt fließende Medium, wobei die Lichtab schwächung nach dem Gesetz von Lambert-Beer exponentiell ver läuft:

I_T = (I₀)e^-ECD

mit I_T = durchgelassener Lichtstrom,
I₀ = eingestrahlter Lichtstrom,
E = Extinktionskoeffizient,
C = Konzentration
D = optische Pfadlänge.

Bei hohen Feststoffkonzentrationen um 10% erhält man bei üb lichen Spaltbreiten um 5 mm eine Lichtabschwächung um den Fak tor 10⁸; damit ist das Restlicht kaum mehr meßbar. Geringere Spaltbreiten würden aber bald zur Verstopfung der Spalte füh ren. Man baut deshalb Sonden mit einer Kombination aus Absorp tion und Reflexion des Lichts und legt Sender und Empfänger in eine Ebene.

Durch die DE-OS 23 63 432 ist ein Streulichttrübungsmesser bekannt, der zwei Sender (A, B) in symmetrischer Anordnung ge genüberstehend aufweist, wobei die Sender derart durch eine Blende von den Empfängern getrennt sind, daß die direkte Strah lung eines Senders (A bzw. B) nur von dem ihm diagonal gegen überliegenden Empfänger (D bzw. C) und im anderen Empfänger nur die Streustrahlung aus dem Raum der Blendenöffnung emp fangbar ist. Sender und Empfänger sind dabei in den Ecken ei nes Rechtecks angeordnet.

Bei diesem Streulichttrübungsmesser wird der Streuwinkel, un ter dem die Streuung gemessen wird, durch geeignete Wahl des Abstandsverhältnisses AB/AC festgelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine beson dere Geometrie der Photosonde einschließlich deren Blendwand ausgestaltung bei Anwendung des Vierstrahl-Wechsellicht-Prin zips ihren Anwendungsbereich (Meßbereich) zu erweitern und die Streuung und Alterung der Bauteile zu kompensieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merk malen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht, erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Kopf einer Photosonde,

Fig. 2 eine geometrische Ausgestaltung der Meßwand,

Fig. 3 eine Variante der Meßwandausbildung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die in einer Ebene ange ordneten Meßfenster mit Trennwänden (Blen den),

Fig. 5 den räumlich über den Meßfenstern und Trenn wänden liegenden Strahlengang im Prinzip,

Fig, 6 einen mit der erfindungsgemäßen Meßfenster anordnung versehenen zylindrischen Sonden körper.

Wie aus den Fig. 1 und 4 ersichtlich ist, sind in Ausneh mungen 10 eines, zylindrische oder ähnliche Form aufweisenden Ge häuses 11 (Sondenkörper), das vorzugsweise aus Metall besteht, die Lichtsender 12, 13 und die Lichtempfänger 14, 15 mittels einer klaren Vergußmasse eingegossen, welche die Meßfenster 16, 17, 18 und 19 bilden. Die beiden Lichtsender 12 und 13 liegen einander auf einer gestrichelt angedeuteten Diagonalen 20 gegenüber, des gleichen die beiden Lichtempfänger 14 und 15 auf einer Diago nalen 20′. Lichtsender und Lichtempfänger sind abwechselnd durch eine Trennwand (Blendwand) voneinander getrennt, derart, daß eine Meßtrennwand 21 und eine Referenztrennwand 22 gewonnen ist, die senkrecht bzw. quer aufeinanderstehen.

Das vom jeweiligen Lichtsender 12 bzw. 13 ausgestrahlte Licht (siehe hierzu Fig. 5) wird an Partikeln 23 reflektiert und ge langt teilweise zum jeweils zugeordneten Lichtempfänger 14 bzw. 15. Bei niedriger Feststoffkonzentration trifft viel Licht auf den mit der jeweiligen Lichtquelle korrespondierenden Lichtemp fänger auf (Lichtquelle 12 → Lichtempfänger 14, Lichtquelle 15 → Lichtempfänger 13), da das Licht lange Wege 24 zurücklegen kann und dadurch ein großes Lichtvolumen (breites Lichtstrahlen bündel) beteiligt ist. Bei hohen Feststoffkonzentrationen wird das Licht mit langem Weg 24 hingegen stark gedämpft, so daß nur noch die Lichtanteile 25 mit kurzem Weg ein Signal im zugeord neten Empfänger generieren.

Die Breite der Meßtrennwand 21 bestimmt dabei den kürzest mög lichen Lichtweg. Die Meßtrennwand 21 wie auch die Referenztrenn wand 22 können in sich unterschiedliche Breite aufweisen, wie dies die Fig. 2 und 3 veranschaulichen. Fig. 2 zeigt bei spielsweise eine Meßtrennwand 21 mit bikonkavem Querschnitt, Fig. 3 eine solche mit in ihrem oberen Endbereich keilförmigem Querschnitt.

Solange der Lichtsender 12 strahlt, wird sein Licht vom Licht empfänger 15 (Referenzempfänger) relativ unabhängig von der Kon zentration des Mediums 26 empfangen, so daß dieser Lichtemp fänger ein verhältnismäßig großes Signal erzeugt. Der korrespon dierende Lichtempfänger 14 wird hingegen wegen der unterschied lich breiten Meßtrennwand 21 mit einem relativ geringen Lichtan teil beaufschlagt, so daß dieser Lichtempfänger ein geringeres Signal erzeugt. Das Verhältnis der beiden Signale ergibt ein von der Beleuchtungsstärke des Lichtsenders 12 unabhängiges Maß für die Trübung des Mediums bzw. für die Feststoffkonzentration. In einem anschließenden Zeitabschnitt strahlt der Lichtsender 13, und die Lichtempfänger 14 und 15 vertauschen ihre Funktion. Das heißt, der Lichtempfänger 14 wird als Referenzlichtempfänger mit einem relativ großen Lichtanteil beaufschlagt, während auf den dem Lichtsender 13 zugeordneten Lichtempfänger 15 nur ein verhältnismäßig geringer Lichtanteil auftrifft. Das Verhältnis der durch die jeweilige Beleuchtungsstärke der beiden Lichtemp fänger erzeugten Signale bildet in gleicher Weise ein Maß für die Trübung bzw. für die Feststoffkonzentration. Durch Bildung des geometrischen Mittels aus den beiden Ergebnissen können auch unterschiedliche Empfindlichkeiten eliminiert werden. Diese Mes sungen finden gemäß dem angewandten Wechsellichtprinzip abwech selnd statt.

Die Elimination unterschiedlicher Empfindlichkeiten der Licht empfänger setzt voraus, daß diese auch bei unterschiedlicher Leuchtdichte noch linear arbeiten. Dies ist bei Halbleiteremp fängern bei geringer Lichtstärke nicht mehr der Fall. Meist ist die Empfindlichkeit erheblich herabgesetzt und deutlich verlang samt, so daß Impulslicht schlecht verarbeitet wird. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist dieses Problem dadurch gelöst, daß die Lichtsender 12 und 13 pulsierendes Licht abstrahlen (auch zur Unterscheidung von Tageslicht) und die Lichtempfänger 14, 15 jeweils durch eine zusätzliche Licht quelle 27, 27′ mit geringem Konstantlicht gerade so stark be leuchtet werden, daß deren Empfindlichkeitsschwelle sicher über schritten ist. Die überlagerten Lichtimpulse aus der Lichtrück streuung werden dann mit guter Linearität empfangen. Ein starkes Gleichlicht könnte wegen seines Rauschanteils das Ergebnis wie der verschlechtern.

Wie neben Fig. 1 auch Fig. 5 veranschaulicht, liegt der Strah lengang der erfindungsgemäßen Photosonde räumlich über den Meß fenstern 16 bis 19 und über den Trennwänden 21 und 22. Die Brei te bzw. Formgestaltung der Trennwände bzw. Blenden 21 und 22 be stimmt hauptsächlich den optischen Abstand zwischen Lichtsendern und Lichtempfängern und legt damit die Länge des kürzesten Licht strahls fest, der bei hohen Konzentrationen anteilig noch durch gängig ist, während die langen Strahlen vollständig absorbiert werden.

Ein Direktstrahl tritt bei der erfindungsgemäßen Photosonde nicht mehr auf. Auch der Referenzstrahl ist gestreut und ge dämpft.

Bei der beispielsweisen Ausgestaltung einer Photosonde gemäß Fig. 6 befinden sich die Meßfenster 16 bis 19 an der Stirnseite eines zylindrischen Gehäuses 11 (Sondenkörper). Die Lichtsender 12, 13 und die Lichtempfänger 14, 15 sind in Kammern 16′, 17′, 18′ und 19′ eingegossen, die in ihrem Mittenbereich durch ca. 0,1 mm starke Trennwände 21, 22 voneinander getrennt sind, die bei spielsweise durch Erodieren gewonnen sind. Die durch eine klare Vergußmasse gebildeten Meßfenster 16 bis 19 werden nach dem Ver gießen eben geschliffen, indem die Stirnfläche des Gehäuses 11 glatt geschliffen wird. Für den Lichtdurchgang ist somit eine ebene, glatte Fläche geschaffen.

Claims

1. Photosonde zur Messung von Trübungen und hohen Feststoff konzentrationen in Medien, die nach dem Vierstrahl-Wechsel lichtprinzip arbeitet, wobei den beiden Lichtsendern und den beiden Lichtempfängern jeweils ein Meßfenster zugeord net ist und eine den direkten Strahlengang vom jeweiligen Lichtsender zu den ihm unmittelbar benachbarten Lichtemp fänger verhindernde Blendwand vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtsender (12, 13) und die beiden Lichtempfänger (14, 15) einander jeweils diagonal gegenüberliegen, die Meßfenster (16, 17, 18, 19) in einer Ebene angeordnet und mittels durchgehender Blendwände von einander distanziert sind, wobei die Blendwände die Licht sender (12, 13) und die Lichtempfänger (14, 15) abwechselnd vollständig voneinander trennen, und daß die jeweils zwischen einem Lichtsender (12, 13) und dem zugehörigen Lichtempfänger (14, 15) wirksame Blendwand eine in Richtung quer zu ihrer Längserstreckung unterschiedliche Breite aufwei sende Meßtrennwand (21) bildet und die andere, den jeweils zweiten Lichtempfänger abschirmende Blendwand eine Referenz trennwand (22) verkörpert.

2. Photosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenztrennwand (22) unterschiedlich breit ausgebildet ist.

3. Photosonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und/oder Referenztrennwand (21, 22) abschnitts weise kreisförmig, keilförmig oder parallel verlaufen.

4. Photosonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenztrennwand (22) quer zur Meß trennwand (21) verläuft.

5. Photosonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtempfängern (14, 15) jeweils eine Konstantlichtquelle (27, 27′) zugeordnet ist.

6. Photosonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfenster (16, 17, 18, 19) durch eine klare, eben geschliffene Vergußmasse gebildet sind, die in die Lichtsender (12, 13) und die Lichtempfänger (14, 15) auf nehmende Kammern (16′, 17′, 18′, 19′) des Sondengehäuses (11) ein gegossen ist.